Performance analysis of radio over fiber system employing digital predistortion

Abstract

Actualmente, as comunicações sem fios (wireless) estão a entrar numa nova fase, as redes de 5ª geração (5G), onde se espera o aumento de serviços que necessitam de grande largura de banda, nomeadamente, serviços interactivos e multimédia. Para suportar estas exigências, uma vertente da investigação em comunicações wireless estuda a operação na gama das microondas/ondas milimétricas para assim evitar o congestionamento espectral nas baixas frequências. Esta estratégia implica uma redução do tamanho da célula e, consequentemente, um aumento do número de células necessárias para cobrir uma determinada área. Tais redes exigem um número elevado de Estações de Base (BSs-Base Stations) para fazer a cobertura de uma área de serviço; assim, uma BS de baixo custo é a chave de sucesso no mercado. Esta exigência levou ao desenvolvimento de uma arquitectura de um sistema onde funções tais como o encaminhamento (routing)/processamento são tratadas numa Unidade Central (CU-Central Unit), mais do que na BS, tornando as BSs em unidade rádio remotas simples (RRHs-Remote Radio Head). A arquitectura de rede centralizada permite a equipamento sensível de ser localizado num ambiente mais seguro, para além de permitir a partilha dos componentes mais dispendiosos pelas várias RRHs. Uma estratégia atractiva para ligar uma CU com as RRHs é através de uma rede de fibra óptica, pois a fibra óptica tem baixas perdas e tem uma grande largura de banda. No entanto, os sinais de rádio são severamente distorcidos por estas ligações. A distorção, introduzida pelo sistema de transmissão ótico, será um fator limitante, uma vez que a potência dos sinais tem de ser reduzida para que os componentes operem na zona linear, diminuindo, assim, o alcance das ligações.O espectro disponível torna-se uma limitação do aumento da taxa de transmissão, uma vez que a largura de banda não será suficiente para as redes de próxima geração. Uma banda que se encontra em estudo para responder a este desafio é a banda não licenciada nos 60 GHz, apesar das suas elevadas atenuações limitarem significativamente o alcance das ligações.Nesta dissertação é implementado um modelo de simulação de um sistema rádio sobre fibra. As distorções sofridas pelos sinais rádio são identificadas, analisadas e compensadas com um bloco de pré-distorção digital baseado em polinómios de memória. A conversão eletro-ótica do sinal rádio multiplexado por divisão em frequências ortogonais (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) através do modulador Mach-Zehnder é destacada, uma vez que é a principal causa da distorção do sistema ótico.Ao longo desta dissertação, os componentes e a arquitetura da rede são discutidos; modelos para o modulador Mach-Zehnder, fotodetector e fibra são apresentados. O ponto de polarização DC do Mach-Zehnder é estudado, assim como a sua influência no desempenho do sistema; o número de símbolos e o débito binário são otimizados e o impacto do comprimento da fibra e a largura espetral do laser são também discutidos.

Wireless communications are currently entering a new stage, 5th generation networks (5G), where an increase of services requiring high bandwidth is expected; namely, interactive services and multimedia. To support such demands, investigation in wireless communications has a strand studying operation at microwaves/millimeter waves to avoid spectral congestion in lower frequencies. This strategy implies a reduction in size of the cells, consequently leading to higher numbers of cells needed to provide coverage to a certain area. Such networks require a high number of Base Stations (BSs); thus, low cost BSs are the key to success in the market. This demand led to the development of an architecture of a system where functions such as routing/processing are dealt with at the Central Unit (CU), making BSs simple Remote Radio Heads (RRHs). This centralized network architecture allows sensible equipment to be localized at a safer environment while allowing resource sharing of the high cost components between RRHS. This strategy is attractive to connect a CU to RRHs trough optical fiber, since optical fiber has low losses and high bandwidth. However, radio signals are highly distorted by these connections. The distortion, introduced by the optical transmission system, will be a limiting factor, since the power of the signals must be reduced so the components operate at a linear zone, thus decreasing the range of the connections.Available spectrum becomes a restraint in the increase of transmission rate, since the bandwidth will not be sufficient for next generation networks. The unlicensed 60 GHz band is being studied to meet this challenges, despite its high attenuation significantly limiting the range of the connections.In this dissertation, a simulation model of a Radio over Fiber system is implemented. The distortions suffered by radio signals are identified, analyzed and compensated with a digital predistortion block based on memory polynomials. Electro-optic conversion of the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) radio signal is highlighted, since it is the main cause of distortion in the optical system.Throughout this work, the components and architecture of the network are presented and discussed; the models for the Mach-Zehnder, optical fiber, photodetector and predistorter are shown. The impact on the performance of the bias point of the MZM is analyzed, the number of symbols and bit rate are optimized and the impact of the fiber’s length and laser’s linewidth are discussed.